生物医学工程理论与实践/生物医学仪器/心电图
本章应涵盖从设计角度看的心电系统基础知识；不是从诊断角度看。
心脏的功能是节律性收缩，将血液泵入肺部进行氧合，然后将氧合的血液泵入全身循环。这种完美的节律由心脏起搏器，即窦房结产生的电信号的传播持续维持和信号传递。 [1] 检测心脏的这种电活动可以帮助识别许多心脏疾病。这是使用心电图 (ECG) 来追踪心脏电活动的主要概念。
通过测量和追踪人体外表面两点之间的电位差，我们可以获得最简单的心电图。两点测量之间的典型点是左臂和右臂。通过定义这两个点并设置测量电压的常规正方向，我们创建了所谓的“导联”。
心肌激活的第一阶段是由窦房结产生的电信号刺激左右心房。此阶段在心电图上显示为 P 波。最初由窦房结产生的电信号然后通过房室结、希氏束和浦肯野纤维传播，最终到达并刺激心室。电信号在心室中的传播导致心室收缩。心室收缩阶段在心电图上显示为特征性的 QRS 波群。最后，随着左右心室的舒张，产生一个去极化信号，在心电图上显示为 T 波。
心电信号的采集是一个相当具有挑战性的任务，就像许多生物信号一样。心电电压信号的幅度非常低（几毫伏），并且具有相对较低的频率成分。信号的预期带宽通常从 0.01 Hz 开始，延伸到不超过 150 Hz。
获取心电信号的另一个挑战是电源线干扰，其幅度通常比原始心电信号大几个数量级。所有这些都表明信号采集模块设计面临着挑战性要求：它应该具有最小的负载效应，它应该包含一个放大级，使信号电平适合进一步使用，并且它应该包含一个定制的过滤级，用于消除预期噪声和电源线干扰，这些干扰通常会破坏心电信号。
在本节中，我们不打算考虑心电信号的完整设计；相反，我们将专注于一个最小心电采集模块设计，该设计能够正常工作。
正如在生理学背景部分中所讨论的，心电信号是通过皮肤上两点之间的电压差获得的。这表明需要一些减法机制。减法可以使用电子差动放大器来完成。这种放大器基本上会减去和放大两个电气点之间的差值。为了使减法正确工作，应相对于一个公共电气参考测量两个电气点的电压。这个公共参考通常选择为病人的右腿。
因此，一个简单的心电采集模块的简化图如图所示。
破坏原始心电信号的伪影具有生理或非生理起源。最主要的伪影是电源线干扰，它表现为频率为 50 Hz（或美国为 60 Hz）的正弦波。其他伪影包括：[2]
- 运动伪影，由于患者移动等...
- 基线漂移，其中心电波形的基线开始以正弦模式上下漂移，遵循患者的呼吸
- 肌电干扰，其中肌肉收缩信号会干扰心电信号。
- 电极接触噪声，其中电极没有牢固地耦合到患者，导致一些失真
- 电外科设备 (ESU) 干扰，其中来自电外科设备的高频信号在手术期间被外科医生使用，会干扰心电信号
本节应讨论针对上述伪影的理论信号处理解决方案
- 主题 "放大生物医学信号：150 uA，分辨率为 16 位？" 提供了一些运算放大器的建议，并提到“一个好的、低噪声、低成本、隔离的肌电/脑电放大器是最苛刻的模拟电子设计之一”。
- 如何构建自己的心电设备
- TI 应用笔记 "生物物理监测：心电图 (ECG) 前端" 提供了一个简单的电路：每个导联中串联 390 KOhm 电阻器 - 一端接触患者，另一端直接连接到仪表放大器输入（或右腿驱动放大器输出，它没有进一步的保护）。仪表放大器在其每个输入上都有 2 个保护二极管，直接连接到 +电源和 -电源。此外，每个输入到模拟接地的 39 pF 电容器和两个输入之间的 200 pF 电容器。TI 出版物“医疗应用信息”（2004 年第二季度）再版了该电路，但省略了电容和二极管。
- 有些人使用 420 Hz 采样率，每样本 10 位。
- "用于稀疏采样心电图记录的高分辨率 QRS 检测算法" 由 Timo Bragge 等人于 2004 年推荐：“心电图的采样频率应至少为 500 Hz”。
- "心电系统要求的低功耗、低电压 IC 选择" 由 Jon Firth 和 Paul Errico 撰写，内容为：“基于转换器是迄今为止最昂贵的前端组件的旧假设的多路复用架构，在当今的电生理测量系统中十分普遍。但是，随着 sigma-delta 转换器架构的激增，每通道的转换器现在已经成为一种在功率和成本方面具有竞争力的替代方案”。它还给出了两种架构的典型原理图，并建议了一些零件。
- 是否有 医疗电子论坛？
- 自制心电图 ([1] 推荐使用润肤露或洗发水作为低成本电极凝胶)
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